考点1.磁通量概念: 剖析: ① 磁通量的实质就是穿过某面积的磁感线的条数. ② 磁感线除了有大小以外.还有方向.但它是个标量.磁通量的方向仅仅表示磁感线沿什么方向穿过某面积.其运算不满足矢量合成的平行四边形定则.只满足代数运算.在求其变化量时.事先要设正方向.并将“+ .“- 号代入. ③ 由磁通量的定义可得:.此式表示“磁感应强度大小等于穿过垂直于磁场方向的单位面积的磁感线条数 .所以磁感应强度又被叫做“磁感密度 . [例题1] .如图10-1-4所示.面积大小不等的两个圆形线圈和共轴套在一条形磁铁上.则穿过.磁通量的大小关系是____. 解析:磁铁内部向上的磁感线的总条数是相同的.但由于线圈的面积大于的.外部穿过线圈向下的磁感线的条数的大于的.所以<. 答案:< [变式训练1]如图10-1-5所示.边长为的正方形闭合线圈置于磁场中.线圈的.两边中点连线的左右两侧分别存在着方向相同.磁感应强度大小各为.的匀强磁场.开始时.线圈平面与磁场垂直.若从上往下看.线圈逆时针转和角时.穿过线圈的磁通量分别改变了多少? 解析:在开始位置.线圈与磁场垂直.则 线圈绕转动角后 磁通量的变化量为 线圈绕转动角时.若规定穿过圆线圈平面的磁通量为正.转过后.穿过线圈的磁通量则为负值.即 磁通量的变化量为 考点2. 感应电流的产生及方向的判断 剖析: (1)产生感应电流的条件是“穿过闭合电路的磁通量发生变化 .即.要产生感应电流.必须同时满足两个条件.一个是电路闭合.另一个则是穿过电路的磁通量发生变化. (2)感应电流方向的判断.既可用右手定则.也可用楞次定律: ①右手定则:适合于判断导线切割磁感线的情形.用右手定则判断感应电流的方向不要仅仅停留在应用上.还要对电流的形成理解其实质.即导线中的自由电子随导线一起做定向运动.于是在洛仑兹力的作用下就会发生定向移动形成电流.即.在利用右手定则的同时.也要和左手定则进行联系. ②楞次定律:适合于判断磁通量发生变化时的情形.应用次定律时.一定要正确理解定律中“阻碍 二字的深刻含义.“阻碍 的并不是磁通量.而是磁通量的变化!即:感应电流的磁场方向并不总是和“引起感应电流的磁场方向 相反的!当“穿过电路的磁通量增加时 .感应电流的磁场方向就和“引起感应电流的磁场方向 相反.否则就相同. [例题1] . 如图10-1-6所示.导线框与导线在同一平面内.直导线中通有恒定电流.在线框由左向右匀速通过直导线的过程中.线框中感应电流的方向是 .先.再.后 .先.再 .始终 .先.再.后 解析(一):由右手定则判断 线框向右运动时.只有和两个边切割磁感线.根据通电导线周围磁场的分布情况可知.开始时.即在边越过通电导线之前.和边以相同的速度切割磁感线.由右手定则可以判断.它们在闭合线框中形成的感应电流方向相反.即分别是逆时针和顺时针的.但由于边所在处的磁感应强度大.所以此时感应电流的方向是顺时针方向的.即.一旦边开始越过通电导线.根据和边所在处的磁感应强度的方向和强弱.由左手定可可以判断得出此时线框中的感应电流的方向是逆时针方向的.即.随着线框继续向右运动.边越过通电导线后.同理可以判断出此时线框中的感应电流的方向是顺时针方向的.即. 综合以上分析.答案应选. 解析(二):由楞次定律判断 通电导线所产生的磁场.在的左侧方向是垂直纸面向外的.而在的右侧方向是垂直纸面向里的.并且离导线越近磁场越强.如图6所示.线框开始向右运动时.由图甲可以看出.穿过线框的向外的磁通量是逐渐增加的.根据楞次定律可以判断出此时线框中的感应电流方向是.一旦线框的边越过通电导线.如图乙所示.穿过线框的磁通量既有向外的.也有向里的.并且向外的磁通量减小.而向里的磁通量增加.由楞次定律可以判断出这一过程中线框中的感应电流方向是.随着线框继续向右运动.当它的边越过通电导线后.穿过线框的磁通量就只有垂直纸面向里的了.并且在逐渐减小.由楞次定律判断出线框中感应电流的方向是. 综合以上分析.答案应选. [变式训练2]如图10-1-8所示.是一个可以绕垂直于纸面的轴转动的闭合矩形线框.当滑动变阻器的滑片自左向右滑动时.从纸外向纸内看.线框将 .保持不动 .逆时针转动 .顺时针转动 .发生转动.但因电源极性不明确.无法判断转动方向 解析:由于滑动变阻器的滑片自左向右滑动.使得电路中的电流变小.因此穿过线框的磁通量变小.虽然不知道穿过线框的磁通量的方向.但由于感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化.所以线框只有绕轴顺时针转动才能达到阻碍磁通量减小的目的. 答案:. 考点3楞次定律的简捷应用 剖析: 对楞次定律中“阻碍 的含义还可以推广为.感应电流的效果总是要阻碍产生感应电流的原因: Ⅰ.阻碍原磁通量的变化或原磁场的变化, Ⅱ.阻碍相对运动.可理解为“来拒去留 , Ⅲ.使线圈面积有扩大或缩小的趋势, Ⅳ.阻碍原电流的变化. 有时应用以上推论解题比用楞次定律本身更方便. [例题3] .如图10-1-9所示.当磁铁绕O1O2轴匀速转动时.矩形导线框将如何运动? 解析:本题分析方法很多.最简单的方法是:从“阻碍相对运动 的角度来看.导线框一定会跟随条形磁铁同方向转动起来.如果不计一切摩擦阻力.最终导线框将和磁铁转动速度无限接近到可以认为相同,如果考虑摩擦阻力.则导线框的转速总比条形磁铁转速小些(线框始终受到安培力矩的作用.大小和摩擦力的阻力矩相等).如果用“阻碍磁通量变化 来分析.结论是一样的.但是叙述要复杂得多.可见这类定性判断的题要灵活运用楞次定律的各种表达方式. [变式训练3]如图10-1-10所示.光滑固定导体轨M.N水平放置.两根导体棒P.Q平行放于导轨上.形成一个闭合路.当一条形磁铁从高处下落接近回路时( ) A.P.Q将互相靠拢 10-1-10 B.P.Q相互相远离 C.磁铁的加速度仍为g D.磁铁的加速度小于g 解析:从阻碍回路面积变化的角度看:当磁铁靠近闭合回路时.磁通量增加.两导体棒由于受到磁场对其中感应电流力的作用而互相靠拢以阻碍磁通量的增加.故A 项正确;从阻碍相对运动角度看:磁铁靠近回路时必受到阻碍靠近的向上的力的作用.因此磁铁的加速度小于g.故D项正确. 答案:D 点评:本题属于楞次定律的拓展应用范围.通过感应电流阻碍相对运动和引起面积变化的两个角度阻碍磁通量的变化.表明了感应电流产生的“原因 和“结果 之间的规律.对于以后关于应用楞次定律的应用提供了便利条件 考点4. 楞次定律.右手定则和左手定则的综合应用 剖析: 有些问题往往多次运用楞次定律.并注意要想在下一级中有感应电流.导体棒一定做变速运动或穿过闭合回路的磁通量非均匀变化.这样才可以产生变化的感应电流.这一变化的感应电流产生的磁场是变化的.会在其他回路中再次产生感应电流. [例题1] . 如图10-1-11所示装置中.cd杆原来静止.当ab 杆做如下那些运动时.cd杆将向右移动? A.向右匀速运动 B.向右加速运动 C.向左加速运动 D.向左减速运动 解析:.ab 匀速运动时.ab中感应电流恒定.L1中磁通量不变.穿过L2的磁通量不变化.L2中无感应电流产生.cd保持静止.A不正确,ab向右加速 运动时.L2中的磁通量向下.增大.通过cd的电流方向向下.cd向右移动.B正确,同理可得C不正确.D正确. 答案:B.D [变式训练1]如图10-1-12所示,水平放置的两条光滑轨道上有可自由移动的金属棒PQ.MN,当PQ在外力作用下运动时,MN在磁场力作用下向右运动.则PQ所做的运动可能是 A.向右匀速运动 B.向右加速运动 C.向左加速运动 D.向左减速运动 解析:当MN在磁场力作用下向右运动,根据左手定则可在通过MN的电流方向为M à N,故线圈B中感应电流的磁场方向向上;要产生该方向的磁场,则线圈A中的磁场方向向上,磁场感应强度则减弱;磁场方向向下,磁场强度则增加.若是第一种情况,则PQ中感应电流方向QàP,且减速运动,所以PQ应向右减速运动;同理,则向右加速运动.故BC项正确. 答案:BC 点评:二次感应问题是两次利用楞次定律进行分析的问题.能够有效考查对楞次定律的理解是准确.清晰.要注意:B线圈中感应电流的方向决定A线圈中磁场的方向.B线圈中电流的变化情况决定A线圈中磁通量的变化情况.把握好这两点即可结合楞次定律顺利解决此类问题 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

第十部分 磁场

第一讲 基本知识介绍

《磁场》部分在奥赛考刚中的考点很少,和高考要求的区别不是很大,只是在两处有深化:a、电流的磁场引进定量计算;b、对带电粒子在复合场中的运动进行了更深入的分析。

一、磁场与安培力

1、磁场

a、永磁体、电流磁场→磁现象的电本质

b、磁感强度、磁通量

c、稳恒电流的磁场

*毕奥-萨伐尔定律(Biot-Savart law):对于电流强度为I 、长度为dI的导体元段,在距离为r的点激发的“元磁感应强度”为dB 。矢量式d= k,(d表示导体元段的方向沿电流的方向、为导体元段到考查点的方向矢量);或用大小关系式dB = k结合安培定则寻求方向亦可。其中 k = 1.0×10?7N/A2 。应用毕萨定律再结合矢量叠加原理,可以求解任何形状导线在任何位置激发的磁感强度。

毕萨定律应用在“无限长”直导线的结论:B = 2k 

*毕萨定律应用在环形电流垂直中心轴线上的结论:B = 2πkI 

*毕萨定律应用在“无限长”螺线管内部的结论:B = 2πknI 。其中n为单位长度螺线管的匝数。

2、安培力

a、对直导体,矢量式为 = I;或表达为大小关系式 F = BILsinθ再结合“左手定则”解决方向问题(θ为B与L的夹角)。

b、弯曲导体的安培力

⑴整体合力

折线导体所受安培力的合力等于连接始末端连线导体(电流不变)的的安培力。

证明:参照图9-1,令MN段导体的安培力F1与NO段导体的安培力F2的合力为F,则F的大小为

F = 

  = BI

  = BI

关于F的方向,由于ΔFF2P∽ΔMNO,可以证明图9-1中的两个灰色三角形相似,这也就证明了F是垂直MO的,再由于ΔPMO是等腰三角形(这个证明很容易),故F在MO上的垂足就是MO的中点了。

证毕。

由于连续弯曲的导体可以看成是无穷多元段直线导体的折合,所以,关于折线导体整体合力的结论也适用于弯曲导体。(说明:这个结论只适用于匀强磁场。)

⑵导体的内张力

弯曲导体在平衡或加速的情形下,均会出现内张力,具体分析时,可将导体在被考查点切断,再将被切断的某一部分隔离,列平衡方程或动力学方程求解。

c、匀强磁场对线圈的转矩

如图9-2所示,当一个矩形线圈(线圈面积为S、通以恒定电流I)放入匀强磁场中,且磁场B的方向平行线圈平面时,线圈受安培力将转动(并自动选择垂直B的中心轴OO′,因为质心无加速度),此瞬时的力矩为

M = BIS

几种情形的讨论——

⑴增加匝数至N ,则 M = NBIS ;

⑵转轴平移,结论不变(证明从略);

⑶线圈形状改变,结论不变(证明从略);

*⑷磁场平行线圈平面相对原磁场方向旋转α角,则M = BIScosα ,如图9-3;

证明:当α = 90°时,显然M = 0 ,而磁场是可以分解的,只有垂直转轴的的分量Bcosα才能产生力矩…

⑸磁场B垂直OO′轴相对线圈平面旋转β角,则M = BIScosβ ,如图9-4。

证明:当β = 90°时,显然M = 0 ,而磁场是可以分解的,只有平行线圈平面的的分量Bcosβ才能产生力矩…

说明:在默认的情况下,讨论线圈的转矩时,认为线圈的转轴垂直磁场。如果没有人为设定,而是让安培力自行选定转轴,这时的力矩称为力偶矩。

二、洛仑兹力

1、概念与规律

a、 = q,或展开为f = qvBsinθ再结合左、右手定则确定方向(其中θ为的夹角)。安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现。

b、能量性质

由于总垂直确定的平面,故总垂直 ,只能起到改变速度方向的作用。结论:洛仑兹力可对带电粒子形成冲量,却不可能做功。或:洛仑兹力可使带电粒子的动量发生改变却不能使其动能发生改变。

问题:安培力可以做功,为什么洛仑兹力不能做功?

解说:应该注意“安培力是大量带电粒子所受洛仑兹力的宏观体现”这句话的确切含义——“宏观体现”和“完全相等”是有区别的。我们可以分两种情形看这个问题:(1)导体静止时,所有粒子的洛仑兹力的合力等于安培力(这个证明从略);(2)导体运动时,粒子参与的是沿导体棒的运动v1和导体运动v2的合运动,其合速度为v ,这时的洛仑兹力f垂直v而安培力垂直导体棒,它们是不可能相等的,只能说安培力是洛仑兹力的分力f1 = qv1B的合力(见图9-5)。

很显然,f1的合力(安培力)做正功,而f不做功(或者说f1的正功和f2的负功的代数和为零)。(事实上,由于电子定向移动速率v1在10?5m/s数量级,而v2一般都在10?2m/s数量级以上,致使f1只是f的一个极小分量。)

☆如果从能量的角度看这个问题,当导体棒放在光滑的导轨上时(参看图9-6),导体棒必获得动能,这个动能是怎么转化来的呢?

若先将导体棒卡住,回路中形成稳恒的电流,电流的功转化为回路的焦耳热。而将导体棒释放后,导体棒受安培力加速,将形成感应电动势(反电动势)。动力学分析可知,导体棒的最后稳定状态是匀速运动(感应电动势等于电源电动势,回路电流为零)。由于达到稳定速度前的回路电流是逐渐减小的,故在相同时间内发的焦耳热将比导体棒被卡住时少。所以,导体棒动能的增加是以回路焦耳热的减少为代价的。

2、仅受洛仑兹力的带电粒子运动

a、时,匀速圆周运动,半径r =  ,周期T = 

b、成一般夹角θ时,做等螺距螺旋运动,半径r =  ,螺距d = 

这个结论的证明一般是将分解…(过程从略)。

☆但也有一个问题,如果将分解(成垂直速度分量B2和平行速度分量B1 ,如图9-7所示),粒子的运动情形似乎就不一样了——在垂直B2的平面内做圆周运动?

其实,在图9-7中,B1平行v只是一种暂时的现象,一旦受B2的洛仑兹力作用,v改变方向后就不再平行B1了。当B1施加了洛仑兹力后,粒子的“圆周运动”就无法达成了。(而在分解v的处理中,这种局面是不会出现的。)

3、磁聚焦

a、结构:见图9-8,K和G分别为阴极和控制极,A为阳极加共轴限制膜片,螺线管提供匀强磁场。

b、原理:由于控制极和共轴膜片的存在,电子进磁场的发散角极小,即速度和磁场的夹角θ极小,各粒子做螺旋运动时可以认为螺距彼此相等(半径可以不等),故所有粒子会“聚焦”在荧光屏上的P点。

4、回旋加速器

a、结构&原理(注意加速时间应忽略)

b、磁场与交变电场频率的关系

因回旋周期T和交变电场周期T′必相等,故 =

c、最大速度 vmax = = 2πRf

5、质谱仪

速度选择器&粒子圆周运动,和高考要求相同。

第二讲 典型例题解析

一、磁场与安培力的计算

【例题1】两根无限长的平行直导线a、b相距40cm,通过电流的大小都是3.0A,方向相反。试求位于两根导线之间且在两导线所在平面内的、与a导线相距10cm的P点的磁感强度。

【解说】这是一个关于毕萨定律的简单应用。解题过程从略。

【答案】大小为8.0×10?6T ,方向在图9-9中垂直纸面向外。

【例题2】半径为R ,通有电流I的圆形线圈,放在磁感强度大小为B 、方向垂直线圈平面的匀强磁场中,求由于安培力而引起的线圈内张力。

【解说】本题有两种解法。

方法一:隔离一小段弧,对应圆心角θ ,则弧长L = θR 。因为θ 

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